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高二語文一名物理學家的教育歷程文學常識

⑴作者簡介及主要作品

加來道雄，美籍日裔物理學家，畢業(yè)于美國哈佛大學，獲加利福尼亞大學伯克利分校哲學博士學位，后任紐約市立大學城市學院理論物理學教授。主要著作有《超越愛因斯坦》(與特雷納合著)、《量子場論》《超弦導論》。

⑵《超越時空》序言

科學革命，顧名思義，是向常識挑戰(zhàn)。

如果我們關于宇宙的尋常觀念都是正確的，那么科學早在數(shù)千年前就已揭開了宇宙的奧秘�？茖W的目標就是剝去客體的表層，揭示它們的內在本質。實際上，如果外表和本質是同一回事，那么科學也就沒有存在的必要了。

對我們世界的認識，最牢固樹立的常識性觀念可能就是：世界是三維的。不言而喻，長、寬和高已經足以描述我們的可見宇宙中的所有物體。嬰兒和動物實驗已經證明，我們固有的觀念--世界是三維的--可謂與生俱來。如果我們把時間作為另一維包含進來，那么四維足以記錄宇宙中的所有事件。不管我們的儀器探測到哪里，從原子內部直到最遙遠的星系團，我們所發(fā)現(xiàn)的都是這四維的蹤跡。公開否認這種看法，即可能存在其他推度，或者我們的宇宙可能和其他宇宙共存，都會招致冷嘲熱諷。對我們世界的這種根深蒂固的偏見，首先由2000年前古希臘哲學家作出推斷。然而，它將服從于科學的進步。

本書涉及一場科學革命，這場科學革命由超空間理論所引發(fā)。超空間理論認為，有超越于人們普遍接受的四維時空的維度存在，宇宙可能確實存在于高維空間中。對此的認識，在世界范圍的物理學家--包括好幾位諾見爾獎得主--中正在擴大。如果這個理論被證明是正確的，它將會在我們對宇宙的認識上產生意義深遠的哲學革命，用科學術語來講，超空間理論是以卡魯查一克萊因理論和超引力的名稱出現(xiàn)的。但是它的最高級的表述形式被稱做超弦理論，這一理論甚至預言了精確的維數(shù)：十維。通常的四維即空間的三維(長、寬和高)和時間的一維，現(xiàn)在被六個更加寬廣的維度所擴展。我們注意到，超空間理論還沒有在實驗上被證實。實際上，在實驗室中證明它極其困難。但是，這個理論已經橫掃了世界上主要的物理研究實驗室，不可逆轉地改變了現(xiàn)代物理學的科學面貌，在科學文獻中產生了數(shù)目大得令人驚愕的研究論文(每統(tǒng)計一次均超過5000篇)。盡管如此，卻幾乎沒有為非專業(yè)聽眾解釋高維空間的迷人性質而寫的東西。

因此，公眾至多也只是模糊地注意到了這場革命。實際上，在大眾文化中隨隨便便提及其他維度和平行宇宙時常會引起誤導。這是令人遺憾的，因為該理論的重要性在于它能在一個驚人簡單的框架內統(tǒng)一所有已知的物理現(xiàn)象，本書第一次在科學上就有關超空間的引人入勝的現(xiàn)行研究作了可信易懂的撈述。

為了解釋超空間理論何以在理論物理學界產生如此巨大的騷動，我闡述了四個基本論題，它們像一根線貫穿在這本書中。這四個論題將本書分成了四篇。在第一篇中，我強調的主題是：自然規(guī)律在高維空間中表達時，會變得更加簡單和漂亮，并由此展開了超空間的早期歷史。

為了理解所增加的更高維度如何能簡化物理問題，可以考慮下面的例子：對古埃及人來說氣候完全是神秘的。是什么引起季節(jié)的更替?為什么當他們往南走時天氣會變暖?為什么風一般往一個方向吹?氣候不可能從古埃及人很有限的實用觀點得到解釋。對他們來說，大地顯然是平坦的澈像二維平面。但是，現(xiàn)在設想用火箭把古埃及人送到處層空間，在那里他們可以看到簡單而完整的地球正在它的軌道上環(huán)繞太陽運行，剎那間，這些問題的答案變得清清楚楚。

從外層空間看，可以清楚地看到地球的軸偏離堅直方向約23度("豎直方向"是指地球環(huán)繞太陽的軌道平面的垂直方向)。因為有了這種偏離,在它的部分軌道上北半球所接收到的太陽光比在另一部分軌道上接收到的少得多，所以我們就有了冬天和夏天。又因為赤道接收到的太陽光比北極或南極地區(qū)接收到的多，所以當我們接近赤道時，氣候變暖。類似地，由于地球相對于站在北極的人作反時針自轉，因此寒冷的極地空氣朝著赤道往南移動時會突然轉向。熱空氣團和冷空氣團在移動。在移動中，地球的自轉決定了它們的方向。這樣的空氣團有助于解釋為什么風總是朝一個方向吹，而且在不同的地方吹的方向不一樣。

概括他說，一旦我們從太空眺望地球，相當?shù)臍夂蛞?guī)律就很容易被認識。因此，解決這個問題的辦法就是上升到太空、進入第三維，當在太空眺望三維的地球時，在平直世界上不可能明白的真相。就突然變得清清楚楚。相似地，引力的規(guī)律和光的規(guī)律看起來完全不一樣。它們遵守不同的物理假設和不同的語文。試圖拼這兩種力總是歸于失敗。但是，如果我們在先前的四維(空間三維加時間)中增加一維即第五維，那么決定光和引力的方程看起來就像拼圖游戲中的兩塊合并到了一起。光實際上可以被解釋為第

五維中的振動，以這種方式，我們發(fā)現(xiàn)光的規(guī)律和引力的規(guī)律在五維中變得更為簡單。

因而，許多物理學家現(xiàn)在相信，傳統(tǒng)的四維理論太"小"而不能充分地闡明描述我們宇宙的那些力。在四維理論中，物理學家不得不用笨拙的、不自然的方式把這些自然力擠壓到一起。此外，這種雜配理論是不正確的。然而，當基本力在超越四維的維度中被表達時，我們就有了"足夠的空間"可以用漂亮、獨立的方式去解釋這些基本力。

在第二篇中，我們強調了趁空間理論可能能把所有已知的自然力統(tǒng)一到一個理論中，并詳盡闡述了這一簡單思想。因此，超空間理論可能是2000年來科學探索的最大成就：所有已知的物理力的統(tǒng)一。它可能把難倒愛因斯但(Einstein)好幾十年的物理學圣杯即"萬物至理(theoryOfeverything)贈送給了我們。

至于使宇宙結合在一起的基本力--引力、電磁力以及強核力和弱核力--為什么有那么大的差別，在過去的半個世紀里，科學家們一直為此感到困惑。凹皿世紀最偉大的頭腦企圖提出某種統(tǒng)一所有已知力的繪景已告失敗，但是，超空間理論可能能夠用非常漂亮的方法解釋四種自然力，以及解釋貌似隨機群體的亞原子粒子。在超空間理論中，"物質"也可以被看作波動著穿過空間和時間結構的振動。因而可以得出一種迷人的可能性：在我們周圍所能看到的一切東西，從樹木和山脈到恒星本身，只不過是超空間中的振動。如果這是真的，那么它給了我們一種漂亮而簡單的幾何方法，對整個宇宙提供了一種條理清晰、令人信服的描述。

在第三篇中，我們探討了在極端環(huán)境中空間可能被拉伸乃至被撕裂的可能性。換句話說，超空間可能提供了穿越空間和時間的一種途徑。盡管我們強調指出這還是高度推測性的，但是物理學家們正在嚴肅地分析"蛀洞"的性質。這些至洞是連接互相遠離的各部分空間和時間的隧道。例如，加利福尼亞理工學院的物理學家嚴肅提出了建造時間機器的可能性。這種機器包含一個連接過去和未來的至洞。時間機器現(xiàn)在已經離開了推測和幻想的王國，已經變成合法的科學研究領域。宇宙學家還提出了一種令人大吃一驚的可能性，即我們的宇宙只是無窮多個平行宇宙中的一個。這些宇宙可以比作飄浮在空氣中的巨大肥皂泡群。正常情況下，這些氣泡宇宙之間的連接是不可能的，但是通過分析愛因斯但方程組，宇宙學家已經證明連接這些平行宇宙的至洞或者管道網的可能是存在的。在每個氣泡上，我們可以定義我們自己特有的空間和時間。它們只在氣泡的表面有意義;在這些氣泡以外，空間和時間都毫無意義。

盡管這類討論的許多結果都是純理論的，但是超空間旅行有可能最終提供所有結果中最為實際的應用：從宇宙的死亡中拯救包括我們在內的智慧生命。科學家們普遍相信宇宙最終必定死亡，已經進化了數(shù)十億年的所有生命也將隨之死去。例如，根據(jù)時下流行的被稱為大爆炸的理論，發(fā)生在150億年到200億年前的一場宇宙爆炸致使宇宙膨脹，恒星和星系都以巨大的速度猛然相離。但是，如果宇宙在某一天停止膨脹井開始收縮，那么它最終將坍縮到一場被稱為"大坍聚''的災難之中。在這個大火球中，所有的智慧生命都將被巨熱所蒸發(fā)。然而，一些物理學家已經推測，超空間理論可能為智慧生命提供一種逃亡的希望，而且是唯一的希望。在我們宇宙死亡的最后幾秒鐘里，智慧生命有可能通過躲進超空間而逃脫這場坍縮。

在第四篇中，我們對一個最終具有實用性的問題作了推斷：如果這個理論被證明是正確的，那么什么時候我們才能具有利用趁空間理論的能力?這不只是一個學術上的問題，因為在過去僅僅是利用了四種基本力中的一種，就不可避免地改變著人類歷史的進程，把我們從古代的無知和貧困、前工業(yè)社會提高到現(xiàn)代文明。在某種意義上，甚至人類社會的全面發(fā)展都可以用一種新的眼光來審視，即人類漸次掌握了四種自然力。文明史隨著這些力中的每一種被發(fā)現(xiàn)和掌握，而經歷著意義深遠的變化。例如，當牛頓(IsaacNewton)寫下經典引力定律時，他發(fā)展了力學理論。這些理論為我們掌握機器提供了規(guī)律。這反過來又極大地加速了工業(yè)革命。工業(yè)革命產生了各種政治力量，它們最終推翻了歐洲的封建王朝。在19世紀60年代中期，當麥克斯韋寫下電磁力基本定律時，他開創(chuàng)了電的時代，這個時代為我們提供了發(fā)電機、收音機、電視機、雷達、家用電器、電話、微波爐、電子消費品、電子計算機、激光以及許多其他奇特的電子產品。人類要是沒有認識和利用電磁力，文明就會在發(fā)明電燈泡和電動馬達之前停滯一段時間。

一名物理學家的教育歷程文學常識到這里就結束了，希望能幫助大家提高學習成績。

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